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嗶!你是我的敵人!

陳俊堯
・2011/05/28 ・1376字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

Proteus mirabilis 是人類病原菌,字面上指的是魔法般神奇的變形桿菌,在這裡姑且讓我簡稱為魔變菌吧!這種細菌比大部份的細菌還愛動。一般會游泳的細菌養在加了洋菜膠的培養基表面就擱淺,乖乖長出個圓圓的菌落;但是魔變菌在這種潮濕的固體表面還能往外爬,從接種點向外爬出像花朵般一圈圈不規則的波浪狀圖案。魔變菌還有另外一項本領:它們在碰上過來搶養份的敵人時會分泌 proticin 毒素殺掉對手。

Proteus mirabilis. 照片取材自 ASM Microbe Library.

如果我是一隻細菌,看到一大片魔變菌軍隊個個帶著劇毒高速衝來,我預期自己能活命的機會應該不會太大。那如果兩支魔變菌軍隊對衝的狀況發生,會有什麼結果呢? 實驗告訴我們,如果對衝的雙方是同一家的,那一見面就和樂融融打成一片;如果是不同家的就兵戎相見,在兩軍之間殺出一條屍河做為兩軍的界線,界線上躺滿兩軍裡的陣亡將士屍體及少數殘喘的散兵游勇。仔細想想,如果今天是人類兩軍對峙,我們還有看得到的國徽軍旗可以識別敵我,但是身為單細胞原核生物的細菌,它們該如何識別敵我,特別是當敵軍跟自己還是同種的細菌呢?

這個由美國華盛頓大學 Peter Greenburg 教授帶領的研究團隊,嘗試利用篩選突變株的方法來尋找讓細菌能辨識敵我的基因:他們利用的原理是在這些基因上發生變化的突變菌株將會認不得自己突變前的同伴,而會在培養時和前同伴間殺出一條屍河。在篩選數千個菌株後他們發現這個別敵我的功能是由一串 ids 基因控制,這串 ids 基因包括 idsAidsBidsCidsDidsE,及idsF,其中 idsDideE 製造出來的蛋白質是細菌的兩段身份證,而 idsB/idsCidsF 還似乎是兩套不一樣的身份辨識器。他們這一系列研究的第二份研究報告進一步指出魔變菌族群裡有人平常就大剌剌地掛著身份證及辨識器,有人卻選擇保持低調不告訴你自己是誰

當細菌數量越長越多時,願意表明身份的細菌比例會增加。當細菌越靠近敵軍時,他們也會提高身份辨識系統的表現量,似乎知道自己很快就要用上這套系統了。不過細菌畢竟不像我們可以隔著一段距離,遠望前方來判定來者是敵是友,它們非得挨近彼此,透過細胞間的接觸才能完成辨識。這樣一來,這套系統的運作就比較像是條碼了。當自己附近的細菌變多,或是覺得有敵人在附近時,魔變菌會在細胞膜上放很多身份條碼及條碼掃瞄器備用。一旦碰到另一隻細菌時立刻掃它的條碼,是敵人的話趕快啟動化學武器展開攻擊。如果對手不反擊,魔變菌就踩著敵人屍體前進,在培養基上我們就會看到魔變菌的菌落蓋過另一種細菌的菌落繼續擴張前進。

如果碰上跟自己一樣厲害的另一株魔變菌,先峰部隊在前線會遭受嚴重的死傷,這時大軍就會停在原地,在兩軍之間會留下一道明顯的屍河,我們在培養基上看到的就是兩個菌落間出現明顯的界線了。這樣的一套條碼辨識系統似乎只有魔變菌會用,這套系統的起源可能是它們將原本用來對抗宿主免疫反應的表面抗原基因修改後拿來用在敵我識別上面。那其它的細菌會不會辨識敵我,而我們有没有機會學會它們的語言,進而重建敵友關係改變細菌的行為呢?好問題。敬請期待微生物學家進一步的努力。

這是我在今年美國微生物學會年會裡聽到的一個有趣的故事。

延伸閱讀

Gibbs et al. 2008. Genetic determinants of self identity and social recognition in bacteria. Science 321:256-259.

Gibbs et al. 2011. Identity genes expression of Proteus mirabilis. J. Bacteriol. In press.

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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